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电化学基本概念解释（二.电池部分）

来源：科思特仪器 发布时间：2019-01-04 浏览人次：0
1. 电池的定义和工作原理
电池即化学电源，是通过化学反应把化学能直接转变成低压直流电能的装置。
电池必须具备两个条件：①氧化和还原反应必须分隔在两个区域进行；②电子必须通过外电路。
原理：较活泼的物质发生氧化反应，电子从较活泼的物质（负极）流向较不活泼的物质（正极）。
组成原电池的条件：有两种活动性不同的物质作电极，电极材料均插入电解质溶液中，两极相连形成闭合电路。

2. 电池的组成
电极（electrode）：电池的核心部分，由活性物质添加剂和导电骨架组成。
活性物质要求：比容量高；电化学活性强；在电解液中化学稳定性好；
导电骨架要求：集流性能好，分布均匀，柔软性好。
电池的电极一般由集电体（collector electrode）和活性物质(active material)组成。集电体，从活性物质释放的电流集中起来，活性物质，充电放电过程中电化学反应物质。
电解质（electrolyte）：主要组成之一，传递正、负极之间的电荷。稳定性强；比电导高，欧姆压降小；化学稳定性高。电解液，正极、负极间电子移动的媒体/通道。
隔膜（separator）：正、负电极之间避免活性物质直接接触。在电解液中稳定性好；隔膜是电子绝缘体、离子导体，一般是非金属材料制成，显著的特点是具有大量的微孔以保证离子的通过。不同的电池所用的材料不同，电池对隔离层的要求是：a.材料本身是绝缘的，防止电池内部短路（即对电子绝缘）；对离子的传导的电阻要小。b.耐电解质腐蚀，能经受正极氧化剂的氧化。c.成本低。如：AGM隔膜
外壳（case）：要求机械强度，耐振动，耐冲击，耐高、低温变化和电解液的腐蚀。
正负极和阴阳极
阴极：发生还原反应的电极，得电子
阳极：发生氧化反应的电极，失电子
正极：电势较高的电极
负极：电势较低的电极
电流与离子的流向：当电池汇总有电流通过时，电解质中的离子在电场的作用下作定向移动，阴离子总是移向阳极，阳离子总是移向阴极。
整个电流在溶液中的传导是由阴、阳离子的移动共同承担的。
 
3. 电池的分类
根据工作特性和存储方式：
一次电池：又称原电池，即不能再次充电的电池，如锌锰电池和锂电池等。
二次电池：又称蓄电池，即可充电电池，如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池等。
燃料电池：正、负极本身不包含活性物质，活性材料连续不断从外部加入的电池。
储备电池：电池储备时不直接接触电解质，电池使用时，才加入电解液。
根据电解质种类：
碱性电池：电解质以KOH溶液为主，如碱性锌锰电池（俗称碱锰电池或碱性电池）、镍镉电池和镍氢电池等。
酸性电池：电解质以硫酸水溶液为主，如铅酸电池。
中性电池：电解质为盐溶液，如锌锰电池和海水电池。
有机电解质电池：电解质为有机溶液，如锂电池。
电池所用的正负极材料
锌系列电池：锌锰电池和锌银电池等
镍系列电池：镍镉电池和镍氢电池等
铅系列电池：铅酸电池等
锂系列电池：锂离子电池和锂锰电池等
二氧化锰系列电池：锌锰电池和碱锰电池
按电池特性分：高容量电池，密封电池，免维护电池，防爆电池等。
构成适用的二次电池的条件：
a. 电极反应必须可逆；b. 只能采用一种电解质溶液；c.电池放电时生成的产物在溶液中是难溶的。
以锂离子电池为例：
    锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正、负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡。放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。在正常充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距变化，不破坏晶体结构，在充放电过程中，负极材料的化学结构基本不变。因此，从充放电反应的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。
 
4. 电池基本术语
（1）电压
电动势：电池两极在断路时处于可逆平衡状态下，两极平衡电极电位之差，是经过计算的理论值。
开路电压：电池在断路时电池两极的电极电位之差。开路电压是一个实际测量的值。如锂离子电池的开路电压为4.1V，铅酸蓄电池为2.1V
电动势＞开路电压
电池的电动势或开路电压值取决于所组成电池的电极材料与电解质的活度和放电的温度，与电池的几何形状和尺寸大小无关。
额定电压：在规定条件下电池工作的标准电压。用来区分电池体系。
一些常见的电池的额定电压：
铅酸电池：2.0V
镉镍电池：1.2V
氢镍电池：1.2V
锌锰电池：1.5V
锂离子电池：3.6-3.8V
放电终止电压：指放电时，电压下降到不宜再继续放电的更低工作电压值，为人为规定的值。例如：锂离子电池充电时，终止电压为4.2V，放电时为3.0V或2.75V。
工作电压：又称放电电压或负荷电压，是指电池对外输出电流时，电池两极间的电位差。工作电压总是低于开路电压。
电池放电电压的变化与放电制度有关，即放电曲线的变化还受放电制度的影响，包括：放电电流、放电温度、放电终止电压，间歇还是连续放电。放电电流越大，工作电压下降越快；随放电温度的增加，放电曲线变化较平缓；
对于二次电池，放电电压低于规定的终止电压叫做过放电，过放电常常会影响到蓄电池的循环寿命。
充电电压：充电时，外电源加在电池两端的电压。电池电压随着时间的变化曲线称之为充电曲线。
内阻：电池内部电解池电阻。由于内阻存在，电池的工作电压总是小于电动势和开路电压。对于电池而言，内阻越小越好。
（2）容量
电池容量：指一定放电制度下（在一定的I放，T放，V终），电池所给出的电量，表征电池储存能量的能力，单位是Ah或C。容量受很多因素影响，如：放电电流、放电温度等。容量大小是由正、负极中活性物质的数量多少来决定的。
理论容量：活性物质全部参加反应所给出的容量。
实际容量：在一定的放电制度下实际放出的容量。
额定容量：又称公称容量，指电池在设计的放电条件下，电池保证给出的更低电量。
在实际应用中，电池容量＝正极容量
比容量：为了对不同的电池进行比较，引入比容量概念。比容量是指单位质量或单位体积电池所给出的容量，称为质量比容量或体积比容量。通常计算方法为：电池放电容量/（活性物质量*活性物质利用率）。
（3）放电速率
放电时率及放电倍率是一种表达电池放电电流大小的方法。
放电时率：指在规定的放电时间内，电池放出全部额定容量。
放电倍率：指放电电流为电池额定容量的某一个倍数。
放电时率×放电倍率＝1
C5—电池5小时率的容量，即电池5小时放电的全部容量。单位Ah或mAh
0.5C---电池以0.5倍容量的电流放电 ,单位：A或mA
例如：某电池的额定容量为1Ah,用0.5C放电时的电流即为0.5A
（4）能量和比能量
电池在一定条件下对外做功所能输出的电能叫做电池的能量，单位一般用wh表示。
a. 理论能量
电池的放电过程处于平衡状态，放电电压保持电动势(E)数值，且活性物质利用率为100％，在此条件下电池的输出能量为理论能量(W0)，即可逆电池在恒温恒压下所做的更大非膨胀功(W0=C0E)。
b. 实际能量
电池放电时实际输出的能量称为实际能量。
W=V工作I t
V工作= V开路－I Ri
c. 比能量
单位质量和单位体积的电池所给出的能量，称质量比能量或体积比能量，也称能量密度。比能量的单位为wh/kg或wh/L。
（5）功率和比功率
    功率和比功率：电池在一定的放电条件下，单位时间输出的能量，一般用P表示，单位为W。功率表示电池放电速率的大小，电池的功率越大，电池可以大电流放电或高速放电。
（6）电池的自放电
    电池的自放电是指电池没有负载时电池容量自行降低的现象。主要是电极材料自发发生了氧化还原反应；在两个电极中，负极的自放电是主要的，自放电使活性物质白白被消耗。
    电池自放电与电池贮存性能有很密切的关系。电池在贮存时贮存性能一定要好，贮存时要求自放电小，不能出现漏液或爬碱。
    各种电池的存储方式：满电荷存储、部分电荷储存、放电状态存储。
（7）循环寿命及其影响因素
    电池经历一次充放电，称一个周期。在一定的放电制度下，电池容量降至规定值之前，电池所经受的循环次数，称为电池的循环寿命。
    影响电池循环寿命的主要因素有：
a. 在充放电过程中，电极活性物质表面积减少，使工作电流密度上升，极化增大；
b. 电极上活性物质脱落或转移；
c. 电极材料发生腐蚀；
d. 电池内部短路；
e. 隔膜损坏和活性物质晶型改变，活性降低。
（8）SOC和DOD
    SOC（State of Charge）：为荷电状态，表示电池剩余容量与总容量的百分比。
    DOD（Depth of Discharge）：为放电深度，表示放电程度的一种量度，为放电容量与总放电容量的百分比。放电深度的高低和二次电池的寿命有很大的关系：放电深度越深，其寿命就越短。
 
参考文献：
[1] 史鹏飞. 化学电源工艺学[M]. 哈尔滨工业大学出版社, 2006.
[2] 程新群. 化学电源[M]. 化学工业出版社, 2008.
[3] 电池基础知识介绍 http://www.sohu.com/a/110579934_466936


 

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